Ενέργεια και ταλάντωση

Ένα σώμα που κάνει ταλάντωση, όπως ένα σώμα στερεωμένο σε ένα ελατήριο, σ’ αυτό ασκείται δύναμη επαναφοράς, που τείνει να φέρει το σώμα στη θέση ισορροπίας. Για να θέσουμε σε ταλάντωση ένα σώμα που είναι στερεωμένο σε ελατήριο, του ασκούμε δύναμη με το χέρι μας, μέχρι να φτάσει σε μια(μέγιστη) απόσταση, από τη θέσης ισορροπίας και το αφήνουμε ελεύθερο. Η δύναμη του χεριού μας παράγει έργο, οπότε στο σώμα προσφέρεται ενέργεια. Η ενέργεια αυτή αποθηκεύεται με τη μορφή της δυναμικής ενέργειας.

Ποιες ενεργειακές μεταβολές συμβαίνουν κατά την ταλάντωση;

Για να μπορέσουμε να θέσουμε ένα σώμα σε ταλάντωση (σώμα + ελατήριο) πρέπει σ’ αυτό να ασκηθεί αρχικά μια επιπρόσθετη δύναμη που θα το απομακρύνει από τη θέση ισορροπίας του. Η δύναμη αυτή μέσου του έργου που παράγει, προσφέρει ενέργεια στο σώμα, η οποία αποθηκεύεται με τη μορφή δυναμικής ενέργειας.

Στην ##### εικόνα φαίνονται τα διαδοχικά στιγμιότυπα της ταλάντωσης. Στο (1) το σώμα έχει φτάσει στη μέγιστη απομάκρυνση, η οποία το σώμα έχει μηδενική ταχύτητα και συνεπώς μηδενική κινητική ενέργεια καθώς και μέγιστη δυναμική ενέργεια.

Έπειτα καθώς το σώμα κινείται προς τη θέση ισορροπίας στην οποία η παραμόρφωση του ελατηρίου μικραίνει και συνεπώς η δυναμική ενέργεια του σώματος μειώνεται. Σε αυτή την κίνηση η ταχύτητα του σώματος αυξάνει όπως και η κινητική ενέργεια του. Στη θέση ισορροπίας (2) η κινητική ενέργεια γίνεται μέγιστη ενώ η δυναμική γίνεται μηδέν.

Έπειτα καθώς το σώμα απομακρύνεται από τη θέση ισορροπίας και κατευθύνεται στο άλλο άκρο μέγιστης απομάκρυνσης, (3) αυξάνεται η δυναμική του ενέργεια ενώ η κινητική του ενέργεια ελαττώνεται.

Στη θέση της μέγιστης απομάκρυνσης (4) η κινητική ενέργεια γίνεται μηδέν, ενώ η δυναμική ενέργεια μεγιστοποιείται.

Συμπέρασμα: Σε μια ταλάντωση πραγματοποιείται περιοδικά μετατροπή της δυναμικής ενέργειας σε κινητική και αντίστροφα.

Στις πραγματικές ταλαντώσεις, το πλάτος της ταλάντωσης μειώνεται σταδιακά μέχρι να ακινητοποιηθεί το σώμα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι υπάρχουν δυνάμεις τριβής ή δυνάμεις αντίστασης αέρα.

Ένα παράδειγμα ταλάντωσης με επίδραση τριβών είναι η κούνια, η οποία η κίνηση της σταματά αργότερα με την επίδραση τριβών ή την αντίσταση του αέρα.

Στην ιδανική περίπτωση που δεν υπάρχουν δυνάμεις τριβής, η μηχανική ενέργεια της ταλάντωσης, δηλαδή το άθροισμα της κινητικής (Κ) και της δυναμικής ενέργειας (U) διατηρείται σταθερό.

Κ + U = Ε = σταθερό

Η μηχανική ενέργεια ενός σώματος που εκτελεί ταλάντωση (Δυναμική + Κινητική ενέργεια) διατηρείται σταθερή και αυτό στην ιδανική περίπτωση που δεν έχουμε τριβές. Όμως σε μια πραγματική ταλάντωση όπως στην περίπτωση της κούνιας, υπάρχουν αντιστάσεις που μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε θερμική. Έτσι με τη σταδιακή μείωση της μηχανικής ενέργειας έχουμε μείωση στο πλάτος της ταλάντωσης και έτσι η κούνια σε λίγο χρόνο σταματά.

Η κούνια θα μπορεί να ταλαντεύεται συνεχώς μόνο όταν παρέχουμε σε αυτή με κατάλληλο τρόπο ενέργεια, ώστε να αναπληρώνεται η μηχανική ενέργεια που μετατρέπεται σε θερμική λόγω τριβών.

Στο διπλανό σχήμα, τη στιγμή 1 το σώμα βρίσκεται στη μέγιστη απομάκρυνση από τη θέση ισορροπίας. Έχει μόνο δυναμική ενέργεια. Στη στιγμή 2, το σώμα βρίσκεται στη θέση ισορροπίας, η δυναμική ενέργεια έχει μετατραπεί όλη σε κινητική. Τη στιγμή 3, το σώμα βρίσκεται σε μια ενδιάμεση θέση, έχει δυναμική και κινητική ενέργεια. Τη στιγμή 4, στην ακραία θέση η κινητική ενέργεια του σώματος μετατρέπεται σε δυναμική.